本发明专利技术公开了一种基于并联控制器的滑模扰动观测器设计方法，用于补偿系统扰动，提升系统的扰动抑制能力，以满足更高精度的跟踪控制需求。针对已有滑模扰动观测器对较高频扰动估计误差大的缺点，本发明专利技术提出使用具有并联结构的两个控制器进行扰动估计，其中一个控制器实现对系统扰动的粗略估计，称为扰动粗估计控制器，另一滑模控制器并联在扰动粗估计控制器外侧，实现对扰动估计误差的补偿，称为滑模补偿控制器，最终实现对系统扰动更为精确的估计，提高了系统的扰动抑制能力。提高了系统的扰动抑制能力。提高了系统的扰动抑制能力。
【技术实现步骤摘要】
一种基于并联控制器的滑模扰动观测器设计方法
[0001]本专利技术属于扰动估计与抑制领域，具体涉及一种基于并联控制器的滑模扰动观测器设计方法，主要用于光电跟踪系统内部和/或外部扰动的估计，提升系统的扰动抑制能力。
技术介绍
[0002]光电跟踪系统常应用于各类运动平台等各种复杂的运动场景下，对系统的视轴稳定精度要求十分苛刻，如何更好地抑制系统面临的各种复杂扰动源一直是研究的热点。光电跟踪系统面临的扰动由外部扰动和内部扰动组成，其中外部扰动因素有载体的振动、运动中的风阻力等，而内部扰动因素通常有建模误差、轴系间的摩擦、平台内部的不平衡力矩、电机力矩波动等，这些扰动的存在影响系统稳定和跟踪精度，甚至有可能导致闭环系统控制的不稳定。为了克服这些扰动的影响，一种可以用来估计扰动的扰动观测器技术得到了广泛的发展，基于扰动观测的控制被认为是最有前景的扰动抑制方法之一。
[0003]为了能够获得更加准确的扰动估计结果，滑模控制器被引入到扰动观测器的设计中，虽然已有相关技术的滑模扰动观测器提供了一定的扰动估计精度，但是一些滑模扰动观测器是基于慢时变扰动设计的，即假设扰动的一阶倒数等于零，如文献《Adaptive sliding mode current control with sliding mode disturbance observer for PMSM drives》(Deng Y T,Wang J L,Li H W,et al.[J].Isa Transactions.2018)《Current Sliding Mode Control with a Load Sliding Mode Observer for Permanent Magnet Synchronous Machines》(Jin N,Wang X,Wu X.[J].Journal of power electronics.2014)等，这类扰动观测器所获得的扰动估计效果通常不是很理想，扰动估计误差会随着扰动频率的增加而增大，因而对较高频率扰动的估计效果稍差，熊少锋等人公开号为CN104898550A的专利“动态伺服系统基于滑模扩张状态观测器的复合控制方法”中也阐述了这类扰动观测器类似的缺点。然而在实际中，扰动变化速度快，频率分部范围广，如文献《空间望远镜大口径FSM机构控制及仿真技术研究》(张茜丹.[D].中国科学院大学.2018)对实际星载望远镜扰动频率分布的分析，在0～100Hz频率之间都有扰动分布，而光电跟踪系统要求在宽频段范围内都具有高稳定精度，因此亟需一种在扰动分布的整个频率范围内都具有高精度的扰动观测器。
技术实现思路
[0004]为了获得在扰动分布的整个频率范围内对扰动的小误差估计，进一步提升光电跟踪系统的扰动抑制能力，本专利技术通过设计具有并联结构的两个控制器的观测器来降低扰动估计误差，其中一个控制器实现扰动粗估计，另一个滑模补偿控制器并联在扰动粗估计控制器外侧，实现对扰动估计误差的补偿，经过扰动粗估计后可以有效降低扰动幅值范围和扰动变化的速率，此时滑模补偿控制器相当于对一个幅值小、速率变化相对慢的扰动进行估计，从而避免直接对大幅值、变化速率快的扰动进行估计，由于控制器对小幅值慢时变扰
动的抑制能力更好，因此可以实现更高精度的扰动估计，理论上可以实现系统扰动的零误差估计。
[0005]本专利技术采用如下技术方案，一种基于并联控制器的滑模扰动观测器设计方法，步骤如下：
[0006](1)建立系统状态方程如下：
[0007][0008]其中，C＝[1，0]，T、b是与系统相关的参数。为状态向量，θ为位置响应，为速度响应，u为控制输入，y为系统输出，d为系统集总扰动。
[0009](2)设计系统复合控制率为：
[0010][0011]其中u
r
为闭环控制器输出，为扰动估计值，为扰动粗估计值，u
c
为扰动补偿值。
[0012](3)设计系统的状态观测器为：
[0013][0014]其中，z＝[z1，z2]T
为系统状态x的估计值，F＝[F1，F2]T
为观测器增益矩阵，且矩阵(A
‑
FC)满足Hurwitz条件。
[0015](4)设计扰动粗估计控制器，估计系统扰动的近似值：
[0016]假设此时系统(1)的集总扰动d＝0，同时令u
c
＝0，定义状态估计误差E＝[e1，e2]T
＝z
‑
x，则结合(1)、(2)和(3)得：
[0017][0018][0019]定义：
[0020][0021]其中K为反馈增益矩阵，G为正常数矩阵。则S的导数可表示为：
[0022][0023]令则扰动粗估计值可以表示为：
[0024][0025](5)设计滑模补偿控制器：
[0026]实际系统(1)的集总扰动d≠0，定义扰动粗估计误差则结合(1)、(2)和(3)得：
[0027][0028]为了补偿扰动粗估计误差，构建如下等式：
[0029][0030]定义滑模面为：
[0031]s＝HE
[0032]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0033]其中H为正常数矩阵。设计趋近率为：
[0034][0035]其中k＞0为滑模收敛率，ε＞0为切换增益，定义控制率为：
[0036][0037]当系统进入滑动模态时则E＝0，那么则：
[0038][0039][0040](6)为了减小(12)中符号函数sgn(s)引起的滑模抖振，采用函数替代：
[0041][0042]其中，α＞0为可调节的因子。
[0043](7)为方便应用，假设采样周期为h，使用一阶欧拉法离散系统(3)为：
[0044]z(n+1)＝z(n)+h[(A
‑
FC)z(n)+Fy(n)+Bu
r
(n)][0045]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0046]其中z(n)为第n时刻系统状态的估计值，y(n)为第n时刻系统的位置状态，z(n+1)为n+1时刻系统状态的估计值，u
r
(n)为第n时刻闭环控制器输出值。
[0047]本专利技术具有如下优点：
[0048](1)本专利技术提高了系统扰动估计的准确性，理论上可以实现无误差估计集总扰动。
[0049](2)本专利技术可以对频率较高的扰动甚至是白噪声扰动进行小误差估计，具有对扰动频率变化不敏感的特性。
[0050](3)本专利技术含有两个具有并联结构的控制器，通常单一控制器需要更大的控制器增益以实现更小的估计误差，而采用并联控制器时，扰动粗估计降低了扰动边界和扰动变化速率，使两个控制器在具有小增益时就能获得更小的扰动估计误差。
[0051](4)本专利技术使用一阶欧拉法求解微分方程，算法简单，移植能力强，易于实际实施。
附图说明
[0052]图1是本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于并联控制器的滑模扰动观测器设计方法，其特征在于：包括以下实施步骤：步骤(1)：建立系统状态方程；系统状态方程为：其中，C＝[1，0]，T、b是与系统相关的参数，为状态向量，θ为位置响应，为速度响应，u为控制输入，y为系统输出，d为系统集总扰动；步骤(2)：设计系统状态观测器；状态观测器的复合控制率为：其中u
r
为闭环控制器输出，为扰动估计值，为扰动粗估计值，u
c
为扰动补偿值；系统状态观测器为：其中，z＝[z1，z2]
T
为系统状态x的估计值，F＝[F1，F2]
T
为观测器增益矩阵，且矩阵(A
‑
FC)满足Hurwitz条件；步骤(3)：设计扰动粗估计控制器，估计系统扰动近似值；扰动粗估计控制器为：其中K为反馈增益矩阵，G为正常数矩阵，E＝[e1，e2]
T
＝z
‑
x为状态估计误差；步骤(4...
【专利技术属性】
技术研发人员：毛耀，张兵，陈兴龙，谭毅，任戈，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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